Оценка технического состояния, диагностика стальных трубопроводов с помощью комплекса КМД-01М

Протяженность магистральных нефтепроводов России составляет более 50 тыс. км газопроводов около 200 тыс. км. В настоящее время более 50% магистральных трубопроводов эксплуатируются более 25 лет. В процессе их эксплуатации происходит постоянное снижение их эксплуатационных характеристик вследствие их старения. По результатам технической диагностики трубопроводов приходится снижать параметры перекачки продукта, что негативно сказывается на их производительности. С каждым годом увеличивается объем работ по оценке технического состояния трубопроводов, восстановительных мероприятий, и ликвидации последствий аварийных состояний.

Из-за высокой изношенности трубопроводной системы растет число порывов. В 2009 г. их число достигло более 25 тысяч, в среднем по 500 порывов еженедельно. Эксперты-экологи считают, что ежегодно потери нефтепродуктов в результате аварий составляют не менее 5 млн. тонн нефтепродуктов, причем основная часть нефтепродуктов не подлежит сбору, а загрязненные территории часто вообще не рекультивируются. Между тем, аварии нефтегазопроводов наносят огромный ущерб окружающей среде.

Выброс газа часто сопровождается возгоранием, что может нанести вред не только местной экосистеме, но и инфраструктуре. Разлив нефтепродуктов может необратимо повлиять на гидрологические объекты, причем на значительном протяжении от места аварии.

Условия работы газонефтепроводов отличаются наличием
• природно-климатических нагрузок извне
• технологических нагрузок, связанных с агрессивностью перекачиваемого продукта
• механическими ударными и циклическими нагрузками при эксплуатации

Кроме того, трубопровод испытывает значительные изгибающие усилия, связанные с движением или перемерзанием (морозным пучением) грунта, это приводит к появлению напряженно-деформированных состояний (НДС), в свою очередь способных инициировать стресс-коррозионные процессы.

Особенности технического диагностирования технологических трубопроводов

Своевременная экспертиза промышленной безопасности трубопроводов позволяет предупреждать аварийные ситуации, связанные с их повреждениями в процессе эксплуатации и минимизировать затраты на ремонтно-восстановительные работы. Однако, сами по себе диагностические мероприятия являются довольно дорогостоящими, поскольку часто связаны с изменением режима работы трубопровода, а то и полным прекращением транспортировки продукта, что приводит к значительным косвенным потерям. Большое количество трубопроводов вовсе не предназначено для диагностики наиболее популярными методами, например, внутритрубной дефектоскопией.

Отсутствие камер приема-выпуска, прямоходных вентилей, сложная геометрия трубопровода, не позволяющая применять снаряды-интроскопы, существенно ограничивают применение данного метода диагностики. Между тем, по разным оценкам, до 40% и более от общей протяженности трубопроводов не подготовлены для проведения внутритрубной дефектоскопии.

Также не решена в должном объеме задача полноценной диагностики подводных переходов трубопроводов, что особенно актуально для сильно обводненных просторов Западной Сибири, а также подводных трубопроводов оффшорных платформ.

Чаще всего оценка технического состояния подводных трубопроводов сводится к водолазному или гидролокационному обследованию, и лишь изредка к применению внутритрубной дефектоскопии, редко используемой при таких работах, поскольку цена возможного застревания очистного поршня, калибратора или снаряда-дефектоскопа в этом случае слишком высока.

Магнитный метод оценки технического состояния трубопроводов

Для диагностики технического состоянии трубопроводов используются различные методы. Многообразие методов связано с многообразием как самих трубопроводов, так и условий их эксплуатации. И очевидно, что не может существовать одного-единственного универсального метода диагностики, пригодного для любых условий, и дающего всеобъемлющую и достоверную характеристику технического состояния.

Одним из широко распространенных методов оценки технического состояния трубопроводов является магнитный. Этот метод диагностики основан на анализе магнитных полей рассеяния, возникающих в местах расположения дефектов, вызывающих изменение механических и физических параметров трубопровода. При использовании этого метода металл трубопровода может предварительно намагничиваться до насыщения, либо измерения производятся в приложенном магнитном поле. Такие дефектоскопы часто входят в состав аппаратуры внутритрубного снаряда-дефектоскопа, поскольку ультразвуковые методы внутритрубной диагностики имеют свои ограничения на применение: требуется тщательная очистка стенок от отложений, невозможность работы в двухфазном флюиде.

Тем не менее, магнитометрический метод широко применяется как метод контактной диагностики, например, вихретоковой.

Основным недостатком этого метода диагностики является необходимость обеспечить доступ к трубопроводу, т.е. либо полностью подъем его на поверхность, либо шурфовка в отдельных точках. Это требует значительных ресурсов, а на сильно обводненных участках трассы трубопровода может быть труднодостижимым.

Вопрос о возможности применения магнитометрического метода диагностики без доступа к металлу трубопровода стоял давно. Существуют магнитометры, способные определять напряжения в металле трубопровода, но попытки дистанционного выявления локальных дефектов, имеющих незначительные линейные размеры, упирались в недостаточную чувствительность первичных магнитных преобразователей, в качестве которых традиционно используются феррозондовые датчики магнитного поля, а также в недостаточное число измеряемых компонент магнитного поля. Недостатком феррозондовых датчиков является высокий уровень собственных шумов, что ограничивает его чувствительность, сравнительно большая масса сердечника, и высокие требования к параметрам опорного генератора.

Датчики на анизотропном магниторезистивном эффекте

На основании современных требований к бесконтактной магнитометрической диагностике, специалистами ЗАО «Полиинформ» были разработан комплекс КМД-01М В нем применяются инновационные датчики на базе последних достижений в области создания первичных преобразователей магнитного поля. Принцип действия этих датчиков основан на анизотропном магниторезистивном эффекте (АМР-эффект).

Магниторезистивный эффект (МР) заключается в изменении электрического сопротивления материала под действием внешнего магнитного поля. Одна из разновидностей магниторезистивного эффекта — анизотропный МР-эффект (АМР) проявляется в зависимости значения сопротивления ферромагнитной пленки от угла между вектором её намагниченности и направлением тока через неё. Направление же вектора намагниченности пленки определяется, в том числе, и направлением внешнего магнитного поля. В АМР датчиках могут применяться как однослойные, так и многослойные структуры.

Комплекс диагностики КМД-01М

Принципиальное отличие комплекса диагностики КМД-01М состоит в том, что в нем реализован метод градиентометрии, т.е. показания от 4-х датчиков, находящихся в 4-х точках пространства сравниваются между собой с выработкой разностного сигнала не только по одноименным компонентам поля, но и по полному вектору магнитной индукции. Это необходимо, чтобы исключить влияние однородного магнитного поля Земли на магнитометрические характеристики массива датчиков, при этом фоновое поле не обязательно должно быть пространственно однородным. В работе массива трехмерных датчиков магнитного поля, используемых в комплексе магнитометрической диагностики трубопроводов, актуальной задачей является подавление импульсных помех. Эта задача решается с помощью алгоритма подавления помех на основе медианного фильтра. Фильтрация выполняется по каждой из координат вектора магнитной индукции. Это позволяет эксплуатировать комплекс для диагностики трубопроводов в условиях сильной электромагнитной загрязненности пространства, например, вблизи линий электропередач, находящихся часто в одном коридоре с трассой трубопровода.

Как уже было отмечено, каждый из 4-х магниторезистивных датчиков, размещенных на крестообразном антенном блоке комплекса, является трехкомпонентным, т.е. измеряет поле по осям X, Y, Z. Таким образом, комплекс КМД-01М измеряет

• 3 компоненты поля в 4-х точках пространства
• разности одноименных компонент
• 3 вектора полной магнитной индукции и их разностей

Обработка и управление таким массивом данных требует применения мощных полевых компьютеров в климатически защищенном исполнении. Частоту опроса датчиков оператор может изменять в зависимости от скорости движения по трассе трубопровода в диапазоне от 30 до 300 Гц.

Программа управления комплексом КМД-01М и программа математической обработки данных являются полностью оригинальными и созданы в ЗАО «Полиинформ». Всего на комплекс диагностики получено 7 патентов и два свидетельства о государственной регистрации программ.

В процессе производства магнитометрической диагностики комплекс КМД-01М автоматически осуществляет привязку в географических GPS-координатах с высокой точностью (до 0,5м), что позволяет по окончании каждого цикла измерений построить электронную карту магнитных аномалий с присвоением каждой аномалии ее координат. Это позволяет осуществлять автоматическую трассировку трубопровода, а также снизить затраты на проведение дополнительного дефектоскопического контроля. Кроме того, комплекс обеспечивает одновременное измерение расстояния с помощью электронного одометра от ближайшей реперной точки (кранового узла, аншлага, точки врезки и т.п.).

Для проведения работ по диагностике в зонах аномально низких или высоких температур, когда ноутбук может работать неустойчиво, в комплексе КМД-01М предусмотрена бесконтактная передача данных с антенной системы на управляющий компьютер с помощью системы WI-FI. При этом инженер-геофизик может находиться в автомобиле на расстоянии до 100 м от оператора, движущегося по трассе трубопровода. Это значительно расширяет возможности эксплуатации комплекса КМД-01М при крайне низких и высоких температурах. Также, такая структура комплекса позволяет устанавливать его на различные движущиеся средства: автомобили, снегоходы и др. В этом случае резко повышается производительность — до 35-40 км одной бригадой за смену, без потери качества диагностики.

Визуализация магнитограмм в режиме реального времени, реализованная на комплексе КМД-01М позволяет выявлять наиболее значимые аномалии без камеральной обработки материалов диагностики. Это позволяет сэкономить время на проведение шурфовки и последующего дополнительного дефектоскопического контроля.

Проведение магнитометрической диагностики трубопроводов с помощью комплекса КМД-01М

Оператор комплекса на трассе трубопровода.

Применение комплекса КМД-01М на объектах с визуализацией в режиме реального времени показано на нескольких примерах:

1. Проведение диагностики технического состояния магистрального трубопровода 32". Характер местности — песчаная пустыня. Выявлена магнитная аномалия в виде напряженно-деформированных состояний, связанных с давлением песчаного бархана, высотой более 10м, наметенного в последние несколько лет перед обследованием:

Магнитограмма 1.

Верхняя магнитограмма представляет собой изменение полного вектора магнитной индукции на участке трубопровода, погребенного под барханом.

На отрезке протяженностью 118 м высота бархана составляет более 10 диаметров трубы, поэтому трубопровод не диагностируется.

На входе и выходе в бархан отмечаются напряженно-деформированные состояния высокого уровня, связанные с давлением массы песка на трубопровод. Участок отмечен, как аварийно-опасный.

Нижняя магнитограмма фиксирует компоненты магнитного поля «Х-левая» и «Х-правая». Локальных дефектов, связанных с потерями металла на диагностируемых участках не обнаружено.

Как показывает практика, часто напряженно-деформированные состояния значительно уменьшаются в результате шурфовки, кроме случаев, когда НДС связано с изменением геометрии трубопровода (Магнитограмма 2).

Магнитограмма 2.

Магнитограмма изменения полного вектора магнитной индукции показывает значительное НДС, вызванное искривлением трубопровода в результате давления грунта. Локальных дефектов не обнаружено (нижняя магнитограмма). Комплекс КМД-01М обладает высокой мобильностью, и может эксплуатироваться на различных носителях. В частности, в условиях Западной Сибири удобным оказалось применение снегохода с традиционными нартами. В этом случае объем выполненных работ за смену вырастал в несколько раз без снижения качества диагностического обследования трубопроводов.

В настоящее время ведутся интенсивные работы по разработке двух модификаций комплекса КМД-01М: для подводного самоходного аппарата (совместно с концерном «Гидроприбор-Подводное оружие России), рассчитанного на глубину 500 м. и ручного прибора для диагностики трубопроводов оффшорных платформ, часто располагаемых в литоральной зоне с глубинами до 50-ти метров, что дает возможность использовать легководолазное снаряжение для производства работ. Применение метода позволяет (в дополнение к «традиционными» методам), обеспечить более полное решение задачи обеспечения промышленной безопасности трубопроводного транспорта и уменьшить риски экологических катастроф, связанных с транспортировкой углеводородного сырья.

Список литературы

1. Саксон В.М., Кузнецов С.А. «Концепция контролируемого технического состояния окружающей среды» Разведка и охрана недр. Октябрь 2005г. 4 п.л.
2. Саксон В.М., Семенов В.В. «Экоаналитическая идентификация источников загрязнений нефтяными углеводородами». Разведка и охрана недр. Октябрь 2005г. 4,5 п.л.
3. Амеличев В.В., Галушков А.И., Резнев А.А., Сауров А.Н., Суханов В.С. «Визуализация привнесенных неоднородностей магнитного поля Земли» // Междисциплинарный теоретический и прикладной научно-технический журнал «Нано и микросистемная техника» № 3-С.11-14.
4. Касаткин С.И., Васильева.Н.П., Муравьев А.М. Многослойные тонкопленочные магниторезистивные элементы. Тула 2001. 134 с.
5. Патент № 86015 Саксон В.М., Проказин А.Б. «Устройство для бесконтактного выявления местоположения дефектов металлического трубопровода».
6. Патент № 108846 Саксон В.М., Проказин А.Б. «Магнитный дефектоскоп для контроля подземных трубопроводов».